陸氣耦合研究及應(yīng)用范文
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《水文雜志》2014年第三期
1陸面模型
1.1VIC模型概述VIC水文模型基于SVATS（SoilVegetationAtmo-sphereTransferSchemes）思想，通過(guò)空間網(wǎng)格化和土壤空間概率分布函數(shù)來(lái)反映氣候和下墊面因子的時(shí)空變異性，也被稱為“可變下滲容量模型”。新一代VIC模型將土壤分為3層，從上自下分別為頂薄層、上層和下層，在蒸散發(fā)計(jì)算上，采用冠層濕部蒸發(fā)、植被蒸騰和裸土蒸發(fā)三種蒸發(fā)模式。在產(chǎn)流機(jī)制上，將產(chǎn)流分為直接徑流和基流兩個(gè)部分，其中直接徑流包含蓄滿和超滲兩種產(chǎn)流機(jī)理，分別用于飽和面積和未飽和面積上的產(chǎn)流計(jì)算；采用ARNO方法描述基流，且不考慮頂薄層和上層中的側(cè)向流，并假定基流只發(fā)生在最層土壤[7-8]。在匯流計(jì)算上，VIC模型假定各個(gè)網(wǎng)格之間產(chǎn)流計(jì)算相互獨(dú)立，通過(guò)耦合Routing網(wǎng)格匯流模型[9]來(lái)計(jì)算網(wǎng)格內(nèi)和網(wǎng)格間匯流，網(wǎng)格內(nèi)匯流采用經(jīng)驗(yàn)單位線法，網(wǎng)格之間匯流則采用線性圣維南方程組方法求解。陸面過(guò)程模擬流程見圖1。
1.2模型參數(shù)確定VIC－Routing模型參數(shù)可以分為產(chǎn)流和匯流參數(shù)，產(chǎn)流參數(shù)包括網(wǎng)格植被類型、植被參數(shù)庫(kù)以及土壤參數(shù)，匯流參數(shù)包括網(wǎng)格面積比例、網(wǎng)格流向、流速以及擴(kuò)散系數(shù)。利用ArcGIS軟件，通過(guò)水文分析和空間統(tǒng)計(jì)等處理先后生成網(wǎng)格面積比例、網(wǎng)格流向，網(wǎng)格植被類型分布等參數(shù)文件，通過(guò)參考LDAS（LandDataAs-similationSystem）相關(guān)成果來(lái)制作植被參數(shù)庫(kù)文件。而對(duì)于網(wǎng)格土壤參數(shù)文件的制作，由于土壤參數(shù)較多，分與土壤類型相關(guān)的參數(shù)和與產(chǎn)流相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，需采用不同的方法確定，前者采用基于網(wǎng)格優(yōu)勢(shì)土壤類型查表和公式計(jì)算相結(jié)合的方法確定，后者則通過(guò)模型率定來(lái)確定。為方便與數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式耦合，VIC網(wǎng)格目標(biāo)分辨率與數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式一致，取為10km，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，寸、宜區(qū)間共由680個(gè)10km×10km網(wǎng)格覆蓋，其中共有642個(gè)網(wǎng)格產(chǎn)流量匯入三峽水庫(kù)。
1.3模型輸入本文中VIC模型只對(duì)水量平衡進(jìn)行計(jì)算，采用24h的時(shí)間步長(zhǎng)，模型輸入為日降水和日最高、最低氣溫。在降水、溫度數(shù)據(jù)網(wǎng)格插值上，利用寸灘等87個(gè)雨量站的實(shí)測(cè)降雨數(shù)據(jù)和奉節(jié)等7個(gè)氣象站的溫度數(shù)據(jù)，采用倒距離平方和插值法將站點(diǎn)數(shù)據(jù)插值到網(wǎng)格上，考慮到三峽庫(kù)區(qū)內(nèi)雨量站和氣象站點(diǎn)分布不均，且雨量站比溫度站密集，故采用動(dòng)態(tài)搜索法確定插值范圍，取距網(wǎng)格中心點(diǎn)最近的六個(gè)雨量站和最近的三個(gè)溫度站分別對(duì)雨量、溫度進(jìn)行網(wǎng)格插值計(jì)算。
1.4模型參數(shù)率定VIC-Routing模型待率定的參數(shù)有7個(gè)與產(chǎn)流相關(guān)的土壤經(jīng)驗(yàn)參數(shù)和2個(gè)匯流參數(shù)。對(duì)于土壤經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的率定，考慮到VIC為基于網(wǎng)格的分布式水文模型，對(duì)每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)都進(jìn)行率定，計(jì)算量巨大，計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可行性較低；而三峽庫(kù)區(qū)土壤類型分布較又較為均勻，上層土壤（0~30cm）主要是壤土類，下層土壤（30~100cm）主要是黏壤土和黏土，且以萬(wàn)縣為界，萬(wàn)縣上游主要為黏壤土，萬(wàn)縣下游主要為黏土，并沒有必要對(duì)每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的土壤經(jīng)驗(yàn)參數(shù)都進(jìn)行率定。結(jié)合三峽庫(kù)區(qū)水文控制站點(diǎn)流量資料情況的基礎(chǔ)上，將三峽庫(kù)區(qū)以萬(wàn)縣為界，分為兩個(gè)區(qū)間，分別進(jìn)行參數(shù)率定，萬(wàn)縣以上區(qū)間以寸武、清溪場(chǎng)子區(qū)間為代表流域，萬(wàn)縣以下分左右岸，左岸以大寧河（巫溪站）代表流域，右岸以磨刀溪（長(zhǎng)灘站）為代表流域。寸武、清溪場(chǎng)流量資料系列較長(zhǎng)，取2001~2006年為率定期、2007~2008年為檢驗(yàn)期，而巫溪和長(zhǎng)灘站徑流資料有限，取2004~2005為率定期、2006年為檢驗(yàn)期，采用SCE-UA優(yōu)化算法，以Nash模型效率系數(shù)R2（確定性系數(shù)）為目標(biāo)函數(shù)，參數(shù)率定結(jié)果詳見表1。至于匯流參數(shù)的率定，三峽庫(kù)區(qū)雖然匯流地貌條件復(fù)雜，但庫(kù)區(qū)兩岸支流較短，匯流速度均較快，且Routing模型中匯流速度和擴(kuò)散性系數(shù)都有較明確的物理意義，故可先利用相關(guān)資料估算初值，再選取洪水過(guò)程進(jìn)行調(diào)試，最終調(diào)試結(jié)果表明，流速可取3.5m3/s，擴(kuò)散性系數(shù)可取1000m2/s。
1.5VIC模型檢驗(yàn)為檢驗(yàn)VIC模型在三峽庫(kù)區(qū)的模擬情況，利用2006~2008年庫(kù)區(qū)氣象、水文以及徑流資料，分別對(duì)三峽庫(kù)區(qū)年徑流量、汛期產(chǎn)流量（5月1日~11月1日）以及重要洪水過(guò)程等模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，所選取的場(chǎng)次洪水均對(duì)三峽入庫(kù)洪水有重要影響，統(tǒng)計(jì)結(jié)果詳見表2~3。由表2~3可知，2006年~2008年VIC模型三峽庫(kù)區(qū)年徑流模擬總量和汛期模擬產(chǎn)流量的相對(duì)誤差均較低，年徑流模擬總量相對(duì)誤差分別為3.08%、3.10%、4.18%，汛期模擬產(chǎn)流量，分別為0.13%、0.73%和1.66%。進(jìn)一步分析可知，在7場(chǎng)洪水模擬中，洪峰和洪量相對(duì)誤差均在20%以內(nèi)，且模擬峰現(xiàn)時(shí)間和實(shí)際峰現(xiàn)時(shí)間均完全擬合。根據(jù)水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范（SL250-2000）[10]相關(guān)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，三峽庫(kù)區(qū)VIC模型模擬精度較高，可以用于三峽水庫(kù)入庫(kù)洪水作業(yè)預(yù)報(bào)。
2氣象模式
2.1WRF模式簡(jiǎn)介WRF模式是由美國(guó)多家研究機(jī)構(gòu)共同研發(fā)的新一代中尺度預(yù)報(bào)模式和同化系統(tǒng)，采用模塊化、并行化以及分層設(shè)計(jì)等技術(shù)，在計(jì)算精度、快波處理以及預(yù)報(bào)時(shí)效等方面優(yōu)于其他中尺度氣象模式，有著良好的降水、氣溫模擬精度
。2.2WRF模式設(shè)置本文WRF模式以三峽庫(kù)區(qū)為計(jì)算區(qū)域的中心，采用粗細(xì)網(wǎng)格雙重嵌套劃分方法，粗網(wǎng)格和細(xì)網(wǎng)格的水平分辨率分別為30km和10km，分別覆蓋影響長(zhǎng)江中上游的主要天氣系統(tǒng)和影響三峽庫(kù)區(qū)的主要天氣系統(tǒng)，并根據(jù)網(wǎng)格水平分辨率將WRF模式積分步長(zhǎng)設(shè)置為180s。在預(yù)報(bào)作業(yè)上，下載美國(guó)環(huán)境預(yù)測(cè)中心（NCEP）的全球分析場(chǎng)和預(yù)報(bào)場(chǎng)作為WRF模式的初始場(chǎng)和側(cè)邊界條件，并以3h為計(jì)算步長(zhǎng)預(yù)報(bào)未來(lái)168h之內(nèi)的天氣狀況。由于NCEP每天在北京時(shí)間8點(diǎn)20分左右資料，預(yù)報(bào)資料下載和WRF模式計(jì)算耗時(shí)約3h（本文采用8核惠普工作站，CPU主頻3.3GHz，12GB內(nèi)存，F(xiàn)edoraCore14_X64系統(tǒng)和并行計(jì)算環(huán)境），因此，每天可在11點(diǎn)20分左右有效預(yù)見期為165h的天氣預(yù)報(bào)成果。本文通過(guò)自動(dòng)運(yùn)行腳本成功的控制了預(yù)報(bào)資料下載、預(yù)報(bào)計(jì)算以及預(yù)報(bào)結(jié)果輸出等過(guò)程的自動(dòng)運(yùn)行。
2.3WRF降水預(yù)報(bào)檢驗(yàn)為評(píng)價(jià)WRF在三峽庫(kù)區(qū)的降水預(yù)報(bào)精度，參考《關(guān)于下發(fā)中短期天氣預(yù)報(bào)質(zhì)量檢驗(yàn)辦法（試行）的通知》氣發(fā)（2005）109號(hào)文件相關(guān)要求，采用TS評(píng)分方法，利用三峽庫(kù)區(qū)87個(gè)雨量站點(diǎn)實(shí)測(cè)資料，對(duì)WRF模式2007年7月逐日降水預(yù)報(bào)進(jìn)行檢驗(yàn)。為便于比較，實(shí)測(cè)值以及預(yù)報(bào)值時(shí)段統(tǒng)一整理為早8時(shí)至次日早8時(shí)，TS評(píng)分結(jié)果見表4。式中：TS為評(píng)分值，又稱預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，氣象上一般采用該值來(lái)評(píng)價(jià)降水預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率，TS評(píng)分值越高，表示預(yù)報(bào)效果越好。NA為預(yù)報(bào)準(zhǔn)確次數(shù)，NB為空?qǐng)?bào)次數(shù)，NC為漏報(bào)次數(shù)。由表4可知，WRF模式降水預(yù)報(bào)結(jié)果的TS評(píng)分值與預(yù)報(bào)時(shí)效以及預(yù)報(bào)降水量級(jí)有關(guān)，隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的延長(zhǎng)、降水量級(jí)的增加，TS評(píng)分值有減小的趨勢(shì)。進(jìn)一步分析可知，96h內(nèi)降水預(yù)報(bào)結(jié)果的TS評(píng)分值較高且較穩(wěn)定，而96h之后的TS評(píng)分值有隨預(yù)報(bào)時(shí)效的延長(zhǎng)而遞減的趨勢(shì)?？梢?，WRF模式在三峽庫(kù)區(qū)的降水預(yù)報(bào)應(yīng)用上，有著良好的短期定量降水預(yù)報(bào)能力和一定的中期定性降水預(yù)報(bào)能力。
3三峽庫(kù)區(qū)陸氣耦合洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)構(gòu)建
3.1WRF與VIC耦合陸面模型和氣象模式耦合的關(guān)鍵問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)氣象模式輸出與陸面模型輸入之間的時(shí)空尺度匹配。在空間尺度上，WRF模式與VIC模型網(wǎng)格分辨率均為10km，且兩者在地理空間上對(duì)應(yīng)良好，可直接利用Ar-cGIS軟件實(shí)現(xiàn)VIC網(wǎng)格和WRF網(wǎng)格之間的空間匹配。在時(shí)間尺度上，WRF模式和VIC模型的預(yù)報(bào)步長(zhǎng)分別為24h和3h，而耦合系統(tǒng)的步長(zhǎng)為24h，統(tǒng)一以早八時(shí)至次日早八時(shí)為計(jì)算時(shí)段，依次提取WRF模式相應(yīng)24h內(nèi)累積降水量、最高氣溫和最低氣溫等預(yù)報(bào)要素，并按VIC模型氣象輸入文件格式要求輸出，從而成功實(shí)現(xiàn)了WRF模式與VIC模型間的單向耦合。
3.2陸氣耦合洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)三峽庫(kù)區(qū)陸氣耦合洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)主要由氣象模式（WRF）、陸面過(guò)程（VIC－Routing）、數(shù)據(jù)庫(kù)支撐、預(yù)報(bào)以及自動(dòng)運(yùn)行控制5個(gè)模塊組成。雖然天氣預(yù)報(bào)和洪水預(yù)報(bào)計(jì)算均在Linux系統(tǒng)下完成，但為便于與其它洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)集成，系統(tǒng)將預(yù)報(bào)平臺(tái)布設(shè)在Windows客戶端，通過(guò)采用服務(wù)器構(gòu)架和數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)策略控制技術(shù)來(lái)解決不同系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳遞問(wèn)題，并研發(fā)了自動(dòng)運(yùn)行控制模塊，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)部自循環(huán)日滾動(dòng)預(yù)報(bào)，三峽庫(kù)區(qū)陸氣耦合洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)框架圖和預(yù)報(bào)界面詳見圖2~3。
4暴雨洪水預(yù)報(bào)試驗(yàn)
為檢驗(yàn)三峽庫(kù)區(qū)陸氣耦合洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)的預(yù)報(bào)精度，選取表4中對(duì)入庫(kù)洪水貢獻(xiàn)最大的四場(chǎng)三峽庫(kù)區(qū)洪水過(guò)程，進(jìn)行暴雨洪水預(yù)報(bào)試驗(yàn)，各場(chǎng)洪水的峰現(xiàn)時(shí)間分別為2007年6月20日、2007年7月21日、2007年7月30日和2008年8月16日。結(jié)合WRF模式預(yù)報(bào)能力，同時(shí)考慮到庫(kù)區(qū)上游水文部門一般只提供未來(lái)3天寸灘站、武隆站徑流過(guò)程預(yù)報(bào)，本文選取96h為最長(zhǎng)預(yù)見期，利用耦合系統(tǒng)分別對(duì)以上四場(chǎng)洪水進(jìn)行日滾動(dòng)預(yù)報(bào)試驗(yàn)。
4.1WRF模式降水預(yù)報(bào)成果分析與傳統(tǒng)洪水預(yù)報(bào)方案檢驗(yàn)不同，在檢驗(yàn)陸氣耦合洪水預(yù)報(bào)精度之前，應(yīng)首先對(duì)定量降水過(guò)程進(jìn)行檢驗(yàn)。本文分別從對(duì)產(chǎn)匯流影響較大的面平均雨量（P_AVE）和網(wǎng)格最大雨量（P_MAX）兩方面對(duì)降水預(yù)報(bào)精度進(jìn)行檢驗(yàn)，考慮到雨量等級(jí)對(duì)相對(duì)誤差等級(jí)影響較大，所以大于5mm的降水以相對(duì)誤差為衡量指標(biāo)，而小于5mm的降水以絕對(duì)誤差為衡量指標(biāo)。本次降雨試驗(yàn)共有40場(chǎng)降水預(yù)成果，其中面平均雨量和網(wǎng)格最大雨量預(yù)報(bào)中偏大預(yù)報(bào)場(chǎng)數(shù)分別為24場(chǎng)和28場(chǎng)。分析表明，小雨事件預(yù)報(bào)值大于實(shí)測(cè)值的情況較多，暴雨事件預(yù)報(bào)值小于實(shí)測(cè)值的情況較多，且整體上WRF模式偏大預(yù)報(bào)要多于偏小預(yù)報(bào)。為進(jìn)一步分析WRF模式降水預(yù)報(bào)精度的影響因素，統(tǒng)計(jì)WRF模式在不同預(yù)報(bào)時(shí)效和不同雨量等級(jí)下的降雨預(yù)報(bào)平均相對(duì)誤差水平，統(tǒng)計(jì)結(jié)果詳見表5。由表5可知，WRF模式降水預(yù)報(bào)精度同時(shí)受預(yù)報(bào)時(shí)效和預(yù)報(bào)等級(jí)的影響，對(duì)于同一預(yù)報(bào)時(shí)效，中到大雨的平均相對(duì)誤差最低，大到暴雨次之，而小雨事件則不太穩(wěn)定；對(duì)于同一雨量等級(jí)，預(yù)報(bào)精度有隨預(yù)報(bào)時(shí)效的增長(zhǎng)而遞減的規(guī)律。此外，面平均雨量預(yù)報(bào)精度整體上比網(wǎng)格最大雨量高?？傮w上，WRF模式在三峽庫(kù)區(qū)的降水預(yù)報(bào)精度良好，能夠?yàn)楹樗A(yù)報(bào)提供有效的降水預(yù)報(bào)信息。
4.2入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)成果分析為檢驗(yàn)耦合系統(tǒng)洪水預(yù)報(bào)精度，以不考慮預(yù)見期降水的傳統(tǒng)預(yù)報(bào)方法為參照，將三峽庫(kù)區(qū)陸氣耦合洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)的洪水預(yù)報(bào)結(jié)果與寸灘、武隆上游來(lái)水合成為三峽水庫(kù)預(yù)報(bào)入庫(kù)洪水，再與實(shí)際入庫(kù)洪水進(jìn)行對(duì)比分析，其中寸灘、武隆洪水演進(jìn)采用馬斯京根法。圖4給出了不同預(yù)報(bào)時(shí)效的預(yù)報(bào)入庫(kù)洪水與實(shí)際入庫(kù)洪水以及傳統(tǒng)預(yù)報(bào)入庫(kù)洪水之間的對(duì)比情況，表6則給出了不同預(yù)報(bào)時(shí)效洪峰預(yù)報(bào)誤差。由圖4可知，與無(wú)降水預(yù)報(bào)相比，考慮三峽庫(kù)區(qū)洪水的三峽入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)精度明顯提高。通過(guò)表6進(jìn)一步分析可知，在統(tǒng)計(jì)的16個(gè)三峽水庫(kù)入庫(kù)洪峰預(yù)報(bào)成果中，偏大預(yù)報(bào)為9個(gè)，最大正偏差為7.0%，偏小預(yù)報(bào)為7個(gè)，最小負(fù)偏差為11.8%?？梢?，洪峰預(yù)報(bào)精度與預(yù)報(bào)時(shí)效有關(guān)，預(yù)報(bào)時(shí)效越長(zhǎng)，預(yù)報(bào)精度越低，24h~96h對(duì)應(yīng)的平均相對(duì)誤差水平分別為：1.1%、2.8%、5.9%和2.9%。根據(jù)水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范(SL2502000)，以實(shí)測(cè)洪峰流量的20%為許可誤差，以上四場(chǎng)洪水預(yù)報(bào)試驗(yàn)洪峰預(yù)報(bào)誤差均在許可誤差之內(nèi)。可見，三峽庫(kù)區(qū)陸氣耦合洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)96h以內(nèi)洪水預(yù)報(bào)精度均符合水文預(yù)報(bào)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可以為三峽水庫(kù)安全高效運(yùn)行提供及時(shí)、有效的決策支持。
5結(jié)論
本文在降水預(yù)報(bào)上，建立了三峽庫(kù)區(qū)新一代數(shù)值天氣預(yù)報(bào)WRF模式，降水預(yù)報(bào)試驗(yàn)結(jié)果表明WRF模式對(duì)三峽庫(kù)區(qū)降水具有良好的預(yù)報(bào)能力，短期降水預(yù)報(bào)精度良好；在洪水預(yù)報(bào)上，建立了三峽庫(kù)區(qū)VIC分布式水文模型，并采用SCE-UA優(yōu)化算法對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行率定，模型檢驗(yàn)結(jié)果表明VIC水文模型在三峽庫(kù)區(qū)具有較高的確定性和預(yù)報(bào)精度。進(jìn)而利用WRF模式降水、氣溫等預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)VIC模型，實(shí)現(xiàn)了WRF模式與VIC模型間的單向耦合，并構(gòu)建了三峽庫(kù)區(qū)日滾動(dòng)暴雨洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)。最后，選取庫(kù)區(qū)洪水對(duì)入庫(kù)洪水貢獻(xiàn)較大的四場(chǎng)洪水進(jìn)行預(yù)報(bào)試驗(yàn)，分析結(jié)果表明三峽庫(kù)區(qū)陸氣耦合預(yù)報(bào)系統(tǒng)可以有效延長(zhǎng)三峽入庫(kù)洪水預(yù)見期，能夠提高預(yù)見期內(nèi)洪水預(yù)報(bào)精度。綜上可知，基于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式和分布式水文模型的陸氣耦合洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)在入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)上具有較大應(yīng)用潛能。
作者：彭艷周建中賈夢(mèng)曾小凡唐造造單位：水電與數(shù)字化工程學(xué)院華中科技大學(xué)廣東省水利水電科學(xué)研究院廣東省山洪災(zāi)害突發(fā)事件應(yīng)急技術(shù)研究中心